【原】干货‖离心泵低温泄漏原因分析与解决措施

新用户52260gzy 2022-01-26

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摘要：KSB为国内某项目提供的离心泵，在低温启动时出现机械密封泄漏现象，影响泵组的正常使用。通过分析泄漏途径、更换材料、拆解检测等方法，找出泄漏的根本原因。然后，采取针对性的改进措施，降低了泄漏的风险。最终，经过试验验证，泵组在低温启动时不再发生泄漏，问题得到有效的解决。

关键词：离心泵低温机械密封泄漏解决措施

引言

在工业及化工领域，离心泵经常用于输送液氮、液氧、液态烃等温度低于-30 ℃的低温介质，这类泵常称为低温泵。低温泵由于使用环境及输送介质的特殊性，对泵的安全性、可靠性和泄漏要求较高^[1]。

在低温环境下，泵零件的力学性能会下降，某些非金属材料甚至会出现脆性。另外，由于低温收缩，泵上零件的配合间隙、预紧力、密封性能等都可能发生变化。因此，对于低温环境使用的泵，在泵零件材料的选配方面应当特别注意，所选配的材料在低温下应具有稳定的性能，确保泵组能够安全稳定运行^[2-3]。

此项目由于最初低温运行环境不明确，在后期进行低温试验时出现了泄漏现象。本文描述了如何通过排除法分析泄漏途径，确定泄漏位置；通过更换机械密封材料、拆解并逐一检查泵组零件尺寸，找到泄漏的根本原因；并通过工艺改进等措施，改进原有的装配工艺，从根本上消除了泄漏故障。

泵组介绍

项目参数

该项目泵组用于冷却系统，输送介质为乙二醇防冻液，运行环境温度-40 ℃ ~ +50 ℃，储存温度-50 ℃ ~ +65 ℃，三台泵并联运行。选用的是KSB标准产品ETA系列单级悬臂式离心泵，泵的主要运行参数如下表1所示。

表1：泵的主要参数

泵组结构及材料配置

如图1所示为泵的结构图，该泵主要由蜗壳、叶轮、泵盖、轴、机械密封、轴承托架等零件组成，为卧式、悬臂式、底脚支撑结构。机械密封采用非平衡型橡胶波纹管密封，轴承采用滚动轴承结构。

图1：泵结构图

从表2可以看出，泵上叶轮、泵壳、轴等主要零件均采用耐低温性能较好的不锈钢材料，轴承托架也采用耐低温的球墨铸铁材料。机械密封采用KSB标准机封，材料Q1Q1X4GG，动环与静环均为碳化硅，橡胶材料为HNBR氢化丁晴橡胶，弹簧材料为不锈钢金属。

表2：主要零件材质

泄漏情况

三台泵组安装在冷却系统时，常温及高温（+50 ℃）运行正常，没有出现泄漏现象。当介质温度降到-40 ℃时，启动泵组时，三台泵均出现不同程度的泄漏。介质从机封处沿着轴流出，泄漏量较大，为不间断的连续泄漏。如图2所示为3台泵现场泄漏情况。泵组停机后，泄漏现象也停止。另外，三台泵解体后，机械密封及其他零部件均未发现有磨损或损坏的现象。

图2：三台泵泄漏情况

泄漏原因分析

泄漏途径

要解决泄漏问题，首先需要找到泄漏的部位，即泵内介质通过哪个路径泄漏出来，如图3所示为泵机械密封位置局部结构详图。机械密封动环橡胶内孔与轴套外径过盈配合，装入泵轴内，静环压紧安装在泵盖上。叶轮轮毂后端平面压紧轴套平面和机械密封动环橡胶平面。运转时，叶轮通过摩擦力带动轴套和机械密封动环一起旋转，在动环和静环贴合表面形成摩擦面（密封面），起到密封作用。在轴套与轴肩配合位置，安装有无石棉垫圈，防止液体沿着轴渗漏出去。

图3：机械密封局部详图

根据泵轴封结构特点，分析泵可能的泄漏途径主要由4种，如图4所示。

图4：可能的泄漏途径

下面逐一分析各个泄漏途径的可能性。

1）静环橡胶与泵盖间间隙泄漏：如图4标识 ①，正常安装时，此处静环L型橡胶与泵盖孔配合比较紧，有一定的过盈量，用手一般轻易拔不出来。即使在低温条件橡胶收缩，由于此处橡胶厚度仅2 mm，根据现场试验测量，该橡胶材料热膨胀系数仅为（1.61~1.86）x10^-4/℃，按照80 ℃温差计算可知，-40 ℃低温环境下橡胶径向收缩量仅为0.0129 mm ~ 0.0149 mm。静环上碳化硅的收缩量小于橡胶，因此实际间隙小于该值。由于间隙很小，根据常识判断，即使此处发生泄漏，也应仅是滴漏，不可能发生连续性泄漏现象，更何况在低温时，该介质的粘度很大，泄漏量会进一步降低。此外，如果确实是此处橡胶低温时收缩产生间隙而泄漏，正常情况下泵不启动也应泄漏，而实际情况是泵停机时不漏，一启动才漏。基于以上分析，该泄漏途径可以排除。

2）动/静环间摩擦面泄漏：如图4标识 ②，正常安装后，弹簧的预紧作用下，动环碳化硅和静环碳化硅表面贴合密封。在预紧力足够且摩擦面完全贴合的情况下，运行时不会发生泄漏。但如果在低温条件下，由于橡胶收缩，加上弹簧比压下降，动静环之间的预紧力下降；或者由于装配不当，造成动环和静环摩擦面未完全贴合，密封面积较小。在启动前，由于密封腔内介质压力较低，可能不会发生泄漏。然而，一旦泵启动，密封腔内压力迅速上升，超过了机械密封预紧力，动环被推开，密封面无法贴合，介质从密封面上泄漏出来。如果密封面间间隙较大，会出现较大的泄漏量，因此该泄漏途径是可能的^[2]。

3）动环橡胶与轴套间间隙泄漏：如图4标识 ③，正常安装时，叶轮轮毂后端面贴合动环橡胶，并压紧，可以保证此处的密封。另外，动环橡胶内孔与轴套为过盈配合，配合较紧。在低温环境下，橡胶会进一步收缩，而不锈钢轴套收缩量很小，因此低温环境下过盈量应该会更大，配合更紧，从此处泄漏的难度更大。退一步说，即使介质从此处泄漏，由于间隙很小，根据常识判断，此处泄漏也应仅是滴漏，不可能发生连续性泄漏现象。与泄漏途径 ① 相似，可以排除从此处泄漏的可能。

4）轴与轴套间的间隙泄漏：如图4标识 ④，正常安装时在轴套和轴肩处有一无石棉垫，可防止发生介质沿轴套内孔处间隙泄漏。由于轴套和轴均为不锈钢材料，在低温时变形量很小。而且同类材料变形相近，同步收缩，因此此处间隙变化相对较小。轴套与轴的配合间隙范围为0 mm~0.028 mm，由于间隙很小，根据常识判断，即使此处发生泄漏，也应仅是滴漏。与泄漏途径 ①、③ 相似，可以排除从此处泄漏的可能。

基于以上分析可以看出，泵内介质是通过途径 ②，即动/静环间摩擦面泄漏出来的。

原因分析

从泄漏途径可以看出，发生此次泄漏主要问题在于机械密封在低温环境下动、静环间密封面未完全贴合造成，而导致该问题的主要因素可能有以下几方面：

1）机械密封橡胶低温收缩量过大，力学性能降低，造成机械密封动环低温下预紧力不足^[4]；

2）启动时转子向泵进口方向窜动，导致机械密封动环和静环脱开；

3）由于零件加工或装配的误差，造成动环和静环摩擦面没有完全贴合，接触面积减小，运行时容易脱开。

对于以上第2、3条原因，需要对泵进行解体检查才能进一步确认。

解决措施

更换机械密封材料

原机械密封采用的橡胶材料为HNBR氢化丁晴橡胶，该橡胶材料理论上使用温度可以最低可以达到-40 ℃，长期使用温度一般在-30 ℃以上。因此，虽然理论上氢化丁晴橡胶可以用在该运行环境，但已达到材料的极限状态，不推荐在该环境下使用。因此，更换为低温性能更好的EPDM三元乙丙橡胶，该材料长期使用温度可以达到-50 ℃，满足工况使用要求。如图5所示，通过低温试验，装有三元乙丙橡胶的机械密封在-40 ℃环境下，长度方向收缩变形量为0.64 mm ~ 0.74 mm（总长度58 mm），收缩后机封动环弹簧仍有2.46 mm ~ 2.56 mm的压缩量，可以保证有一定的预紧力^[5-6]。

图5：机械密封低温试验

更换装有三元乙丙橡胶的机械密封后，泵组再次进行低温试验，试验时2#、3#两台泵启动时不泄漏，但1#泵仍然泄漏，泄漏量比前一次小。说明更换橡胶材料后，密封效果明显改善，1#泵泄漏可能还有其他因素造成，需要进一步拆解检查。

解体检查

为查清1#泵组泄漏的原因，对泵进行解体检查，并测量相关尺寸。从测量结果发现，泵转子窜动很小，仅0.08 mm ~ 0.09 mm，应为轴承的游隙。该间隙不可能造成转子大的窜动，因此不是机械密封泄漏的主要原因。

对零件跳动进行检测发现，机械密封静环端面跳动达到0.24 mm，远远高于一般要求值0.05 mm。由于该端面为动、静环结合面，该平面跳动过大会造成动环与静环结合面无法完全贴平，接触面积过小，存在泄漏的风险。对于常温运行的情况，由于机械密封有足够的预紧力，即使密封面积较小，但也能保证动静环间贴合。因此，常温下不发生泄漏。但对于低温环境，由于机械密封橡胶收缩，造成机械密封预紧力降低，加上密封面接触面积过小，就容易造成密封面脱开而产生泄漏。其余零件的尺寸及形位公差均满足设计要求，因此可以判定，造成1#泵再次泄漏的根本原因就是机械密封安装时端面跳动过大。

图6：机械密封静环检测

装配工艺改进

由于该ETA系列泵为批量化生产标准产品，在装配工艺过程中未要求测量静环端面跳动。装配过程中一般用一个简单的圆柱形工装，手工将静环压入泵盖，甚至直接用手指用力压紧静环，静环装入泵盖后再安装泵轴等。在手工压入静环的过程中，由于静环受力不均匀，容易造成静环端面跳动过大的现象。由于该产品一般用于常温介质，因此没有产生泄漏现象。

对于该项目低温使用环境场合，原有的安装工艺过程已无法满足要求。为此，改进了安装工艺过程。如图7所示，首先将泵盖和泵轴先装好，然后制作一个专用的工装，工装内孔与轴外径配合。将静环穿入轴内，然后用专用工装将静环轻轻压入泵盖。最后在轴端装入垫圈和叶轮螺母，慢慢拧紧叶轮螺母，通过工装慢慢压紧机械密封静环。由于静环压入泵盖的力分布均匀，整个静环装入泵盖后平面跳动能够得到保证。安装后经过再次测量发现，此时机械密封的静环端面跳动仅有0.04 mm，得到了很大的改善。